AT516182B1 - Verfahren zum ermitteln der konzentration zumindest eines reaktionsproduktes am ausgang eines katalysators - Google Patents

Verfahren zum ermitteln der konzentration zumindest eines reaktionsproduktes am ausgang eines katalysators Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Konzentration zumindest eines Reaktionsproduktes am Ausgang eines Katalysators (DOC), insbesondere eines Diesel-Oxidations-Katalysators, im Abgasstrang (2) einer Brennkraftmaschine (1). Um auf einfache Weise die Reaktionen im Katalysator (DOC) möglichst exakt zu erfassen, ist vorgesehen, dass der Katalysator (DOC) in Strömungsrichtung in eine Anzahl n einzelner Zellen (6) eingeteilt wird und die Konzentration NO k c 2 , von NO2 am Ausgang jeder Zelle (6) mittels eines diskreten NO2-Modells auf der Basis der jeweils eintrittseitigen Konzentration an NO2 und der Reaktionsrate NO I r , für NO im Katalysator (DOC) bestimmt und die Konzentration NO n c 2 , an NO2 am Ausgang der letzten Zelle (6) der Konzentration NO2 c an NO2 am Ausgang des Katalysators (DOC) zugeordnet wird

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Konzentration zumindest einesReaktionsproduktes am Ausgang eines Katalysators, insbesondere eines Diesel-Oxidations-Katalysators, im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.
[0002] Die US 2009/0 158 719 A1 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Diesel¬brennkraftmaschine zur Verminderung des Gehaltes an NOx, Russpartikeln und gasförmigenKohlenwasserstoffen, wobei im Abgasstrang - in Strömungsrichtung des Abgases - hintereinan¬der ein erster Oxidationskatalysator, ein Partikelfilter, ein SCR-Katalysator (SCR=SelectiveCatalytic Reduction) und ein zweiter Oxidationskatalysator angeordnet sind. Stromaufwärts desSCR- Katalysators ist eine Dosiereinrichtung zur Einbringung eines Reduktionsmittels in dasAbgas angeordnet.
[0003] Die US 8,474,248 B2 offenbart ein modellbasiertes Verfahren zur Bestimmung der NH3-Dosierrate für eine Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Diesel-Oxidationskatalysator(DOC) und ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei ist stromaufwärts des SCR-Katalysa-tors eine NH3-Dosiereinrichtung vorgesehen. Dabei wird das Verhältnis N02/NOx am Eingangdes SCR-Katalysators in nicht näher beschriebenerWeise ermittelt.
[0004] Eine genaue Bestimmung der Konzentrationen an NO und N02 ist erforderlich, um denexakten Betriebspunkt eines Katalysators zu bestimmen. Der exakte Betriebspunkt wiederum istnotwendig, um in einer modellbasierten SCR-Regelung eine exakte Dosierung des stromauf¬wärts des SCR-Katalysators zugeführten Reduktionsmittels zu ermöglichen.
[0005] Es hat sich gezeigt, dass ein einfaches kennlinienbasiertes Modell zum Aufteilen derdurch einen Sensor gemessenen oder durch ein Rechenmodell berechneten NOx- Konzentrati¬on in NO und N02-Konzentrationen nicht ausreicht: Die Abweichungen zu den realen NO- undN02-Konzentrationen sind zu groß, was zu völlig falschen internen Reaktionsraten im SCR-Katalysator führt, zumal dieser sehr empfindlich auf stromaufwärtige NO- und N02 Konzentrati¬onen reagiert.
[0006] Es ist die Aufgabe der Erfindung die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfah¬ren bereitzustellen, mit welchem auf einfache Weise die Reaktionen in einem oder mehrerenKatalysatoren möglichst exakt erfasst werden können.
[0007] Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass der Katalysator in Strömungsrichtung ineine Anzahl n einzelner Zellen eingeteilt wird und die Konzentration cNOi k von N02 am Aus¬gang jeder Zelle mittels eines diskreten N02-Modells auf der Basis der jeweils eintrittseitigenKonzentration an N02 und der Reaktionsrate rN0,i für NO im Katalysator bestimmt und die Kon¬zentration cN0 an N02 am Ausgang der letzten Zelle der Konzentration cNOi an N02 am Aus¬gang des Katalysators zugeordnet wird.
[0008] Beim verwendeten N02-Modell handelt es sich um ein auf physikalischen Grundlagenbasiertes Modell der NO-Reaktionen im Katalysator. Es benötigt nur wenig Kalibrieraufwandund weist hohe Flexibilität auf, um einfach für verschiedene Abgasnachbehandlungssystemenadaptiert zu werden. Es kann als exaktes DOC-Modell in gängige Motorsteuerungen implemen¬tiert werden.
[0009] Zielsetzung des N02-Modells ist die Bestimmung der Konzentration an N02, insbeson¬dere auch an NO. Zur Vereinfachung können folgende Einflüsse außer Acht gelassen werden: [0010] - Oxidation der HC und CO; [0011] - Temperaturanstieg zu Folge exothermer Reaktionen von HC, CO und NO; [0012] - Die Änderung der 02-Konzentration zu Folge von Oxidationsvorgängen ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Katalysators so gering, dass sie in einem einfa¬chen Modell vernachlässigt werden kann; die Ausgangskonzentration an 02 kannsomit qleich der Einqanqskonzentration anqenommen werden; [0013] - Auswirkungen der Russ-Konzentration im Katalysator auf NO-Oxidation und N02-
Reduktion.
[0014] Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Konzentration cNOi k (i) von N02 zumProbenzeitpunkt i nach folgender Gleichung bestimmt wird:
wobei [0015] Ts = Probenzeit oder Schriftgröße der Diskretisierungmit
wobei [0016] Tc = Temperatur des Katalysators in [K] [0017] j* = Konzentration in ppm [0018] cx = Konzentration in mol/m3 [0019] px = Druck [0020] R = die Gaskonstante [0021] j = Index der Sauerstoffkonzentration, mit j = Vz für Diesel-Oxidationskatalysator oder
Diesel-Partikelfilter.
[0022] TEG = Abgastemperatur in [K] [0023] n = Anzahl an Zellen in diskreter Reihenfolge [0024] vc = Katalysatorvolumen [0025] sg = Offene Stirnfläche des Katalysators [0026] niEG = Abgasmassenstrom [0027] meg = Molare Masse des Abgases [0028] aR = Geometrische Oberflächemit: wobei
[0029] ki,2 und Ei,2 katalysatorabhängige Parameter darstellen,sowie mit
[0030] Die NO-Konzentration am Ausgang des Katalysators kann aus der Differenz zwischeneiner vorzugsweise durch Messen bestimmten Gesamtmenge an NOx stromaufwärts des Kata¬lysators vermindert um die mittels des N02-Modells ermittelte N02 - Konzentration cNOitk der - in
Strömungsrichtung betrachtet - letzten Zelle k berechnet werden.
[0031] Wird nicht die erwähnte Vereinfachung einer konstanten 02-Konzentration zwischenEingang und Ausgang des Katalysators getroffen, so kann in einem erweiterten Modell dieSauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators aus der Differenz zwischen einer vor¬zugsweise durch Messen bestimmten Sauerstoffmenge stromaufwärts des Katalysators ver¬mindert um die bei der Oxidation des NO verbrauchte Sauerstoffmenge berechnet werden.
[0032] Vorzugsweise wird zumindest eine der ermittelten Konzentrationen als Eingangsgrößefür eine modellbasierte SCR-Regelung eines dem Katalysator nachgeschalteten SCR-Kataly-sator zugeführt. Das diskrete N02-Modell kann, so wie die modellbasierte SCR-Regelung, in dieMotorsteuereinheit der Brennkraftmaschine implementiert werden.
[0033] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
[0034] Es zeigen schematisch [0035] Fig. 1 eine Brennkraftmaschine samt Abgasstrang zur Durchführung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens und [0036] Fig. 2 einen in einzelne Zellen eingeteilten Katalysator.
[0037] Das Verfahren dient dazu, die Konzentration von Reaktionsprodukten wie N02 und/oderNO am Ausgang eines Katalysators DOC, beispielsweise eines Diesel- Oxidations-Katalysators,im Abgasstrang 2 einer Brennkraftmaschine 1 zu ermitteln. Wie in Fig. 1 ersichtlich ist, iststromabwärts des Katalysators DOC ein SCR- Katalysator SCR angeordnet. Mit Bezugszeichen3 ist eine Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel wie NH3 angeordnet. Vor dem KatalysatorDOC kann ein Sensor 4 zur Bestimmung des NOx-Gehaltes im Abgas und ein Temperatur¬sensor 5 angeordnet sein. Die gemessenen Daten werden einer Motorsteuereinheit ECU zuge¬führt und mittels des N02-Modells unter Ermittlung der N02- und NO-Konzentrationen im Abgasam Ausgang des Katalysators DOC ausgewertet. Auf der Basis dieser Konzentrationen wirdmittels einer in der Motorsteuereinheit implementierten modellbasierten bekannten SCR-Regelung das Reduktionsmittel dosiert.
[0038] Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist das physikalische Modell für den Katalysator DOC eineReihe von in Strömungsrichtung des Abgases aufeinanderfolgenden Zellen 6, sogenanntenCSTR (Continuous Stirred Tank Reactors), mit der Anzahl n auf, wobei die Ausgangsbedingun¬gen der stromaufwärtigen Zelle den Eingangsbedingungen der benachbarten stromabwärtigenZelle zugeordnet werden. Das verwendete physikalische Modell ist somit eindimensional. DieAnzahl n der Zellen wird so gewählt, dass ein guter Kompromiss zwischen der Genauigkeit desModells und der nötigen Rechenzeit entsteht. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mit denPfeilen angedeutet.
[0039] Die Reaktion im Katalysator DOC läuft nach folgender Reaktionsgleichung ab: NO + 0,5O2 <-» N02 (1) [0040] Die Reaktionsrate rN0J für NO im Katalysator DOC kann nach folgender Gleichung be¬rechnet werden: (2) wobei
[0041] Tc = Temperatur des Katalysators in [K] [0042] yx = Konzentration in ppm [0043] cx = Konzentration in mol/m3 [0044] px = Druck [0045] R = die Gaskonstante [0046] j = Index der Sauerstoffkonzentration, mit j = Vz für Diesel-Oxidationskatalysator oder
Diesel-Partikelfilter, mit:
(3)
(4) wobei ki,2 und E-ι,2 katalysatorabhängige Parameter darstellen,
(5)
(6) ist.
[0047] Die vorliegende Reaktionsrate rmi ist unabhängig vom Betriebspunkt und kann positivNO+0,5O2 —» N02 oder negativ N02 -> NO+0,5O2 sein, je nachdem in welcher Richtung dieReaktion abläuft.
[0048] Die physikalische Umsetzung des N02-Katalysatormodells wird festgelegt durch einenZustand der durch eine inhomogene nichtlineare gewöhnliche Differentialgleichung ausgedrücktwird. Im Folgenden steht "k" für den Zellindex des Katalysators.
[0049] Die zeitliche Änderung der Konzentration von N02 kann wie folgt angegebenen werden: * dcNo2,k _ n mm -Rdt Vc.eg Peg.Meg wobei: [0050] TEG = Temperature des Abgases in [K] [0051] n = Anzahl der Zellen [0052] Vc = Volumen des Katalysators [0053] % = Durchflussquerschnitt des Katalysators * [0054] mEG = Abgasmassenstrom [0055] meg = Abgasmolmasse [0056] aR = geometrische Oberfläche des Katalysatorsist.
[0057] Die NO-Konzentration wird berechnet als Gesamtmenge des stromaufwärtigen NOxvermindert um das oxidierte N02.
[0058] Die Sauerstoffkonzentration wird berechnet, indem von der stromaufwärtigen Sauer¬stoffmenge die Menge des vom oxidierten NO verbrauchten Sauerstoffes abgezogen wird.
[0059] Mit der erwähnten Reaktionsrate rN0,i ergibt sich
(8) [0060] und nach Umformung weiter:
(9) und schließlich: (10) wobei
(11)
(12) [0061] Unter Anwendung des implizierten Euler-Verfahrens lässt sich das diskrete N02- Modellwie folgt ableiten:
(14)
(15) [0062] Die NO-Konzentration am Ausgang des Katalysators DOC kann aus der Differenz zwi¬schen einer durch den Sensor 4 bestimmten Gesamtmenge an NOx stromaufwärts des Kataly¬sators DOC vermindert um die mittels des N02-Modells ermittelten N02 - Konzentration cNOi „ der - in Strömungsrichtung betrachtet - letzten Zelle 6 berechnet werden.
[0063] Die Sauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators DOC kann aus der Differenzzwischen einer beispielsweise durch Messen oder mittels eines Modells bestimmten Sauer¬ stoffmenge stromaufwärts des Katalysators DOC vermindert um die bei der Oxidation des NOverbrauchte Sauerstoffmenge berechnet werden.
[0064] Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich nicht nur bei Dieseloxidationskatalysatoren,sondern auch zum Ermitteln der Konzentration zumindest eines Reaktionsproduktes am Aus¬gang von anderen Abgasnachbehandlungseinrichtungen, beispielsweise bei einem nach derAbgasturbine des Abgasturboladers angeordneten Katalysators (sogenannte ATC= After TurboCatalyst) und/oder bei einem Dieselpartikelfilter (DPF) anwenden.
[0065] Das Verfahren findet damit beispielsweise Anwendung in einem Abgasnachbehand¬lungssystem, aufweisend ATC, DOC und SCR oder DOC, DPF und SCR oder ATC, DOC, DPFund SCR, um die Reaktion innerhalb des/der Katalysators/en für eine modellbasierte Regelungdes SCR-Katalysators zu charakterisieren. Das diskrete N02-Modell ist dabei jeweils in dieMotorsteuerung ECU der Brennkraftmaschine implementiert.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Ermitteln der Konzentration zumindest eines Reaktionsproduktes am Aus¬gang eines Katalysators (DOC), insbesondere eines Diesel-Oxidations-Katalysators, imAbgasstrang (2) einer Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Kata¬lysator (DOC) in Strömungsrichtung in eine Anzahl n einzelner Zellen (6) eingeteilt wird unddie Konzentration cNOitk von N02 am Ausgang jeder Zelle (6) mittels eines diskreten N02- Modells auf der Basis der jeweils eintrittseitigen Konzentration an N02 und der Reaktions¬rate rN0,i für NO im Katalysator (DOC) bestimmt und die Konzentration cNOl,„ an N02 am Ausgang der letzten Zelle (6) der Konzentration cNOi an N02 am Ausgang des Katalysators(DOC) zugeordnet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration cNOiM (i)
    von N02 jeder Zelle (6) zu einem Probenzeitpunkt i nach folgender Gleichung bestimmtwird: wobei Ts = Probenzeit oder Schrittgröße der Diskretisierungmit
    wobei Tc = Temperatur des Katalysators (DOC) in [K]y* = Konzentration in ppmcx = Konzentration in mol/m3px = Druck R = die Gaskonstante j = Index der Sauerstoffkonzentration, mit j = 1/2 für Diesel-Oxidationskatalysator oder Die¬sel-Partikelfilter. TEG = Abgastemperature in [K] n = Anzahl an Zellen (6) in diskreter Reihenfolge Vc = Katalysatorvolumen sg = Offene Stirnfläche des Katalysators niEG = Abgasmassenstrommeg = Molare Masse des AbgasesaR = Geometrische Oberfläche mit: wobei
    k1i2 und E1i2 katalysatorabhängige Parameter darstellen, sowie mit
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine NO-Konzentration am Ausgang des Katalysators (DOC) aus der Differenz zwischen einer Ge¬samtmenge an NOx stromaufwärts des Katalysators (DOC) vermindert um die mittels desN02-Modells ermittelten N02 - Konzentration cN0^n der - in Strömungsrichtung betrachtet - letzten Zelle (6) berechnet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge an NOxstromaufwärts des Katalysators (DOC) durch Messen bestimmt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauer¬stoffkonzentration am Ausgang des Katalysators (DOC) aus der Differenz zwischen einerSauerstoffmenge stromaufwärts des Katalysators (DOC), vermindert um die bei der Oxida¬tion des NO verbrauchte Sauerstoffmenge berechnet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffmenge strom¬aufwärts des Katalysators (DOC) durch Messen bestimmt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindesteine der ermittelten Konzentrationen als Eingangsgröße für eine modellbasierte SCR-Regelung eines dem Katalysator (DOC) nachgeschalteten SCR-Katalysators (SCR) zuge¬führt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das diskre¬te N02-Modell in die Motorsteuerung (ECU) der Brennkraftmaschine (1) implementiert wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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